JPH04248362A - スイッチング電源用スイッチング制御回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、安定化電源等として広
く利用されるスイッチング電源の動作を制御するための
スイッチング制御回路であって、スイッチング電源が受
ける入力電圧により給電され、スイッチング電源の負荷
側に短絡等の異常が発生した時にそれを保護する機能を
備えるものに関する。

【０００２】

【従来の技術】スイッチング電源は種々の電子装置や電
子回路に安定化された電圧を供給するもので、周知のよ
うにスイッチングトランジスタを介して電圧変換用の変
圧器の一次コイルに流す電流のデューティ比をＰＷＭ制
御することによりその出力電圧を安定化する動作原理に
よるので、このトランジスタのスイッチング動作を制御
するスイッチング制御回路がふつうは集積回路装置の形
でその中に組み込まれる。また、スイッチング電源はそ
の負荷側に短絡等の異常が発生した際の保護機能を備え
る必要があるので、ふつうはその役目を兼ねたスイッチ
ングトランジスタに対する動作の制御機能をこのスイッ
チング制御回路に受け持たせる。

【０００３】この保護機能は負荷側の異常状態に影響さ
れずに確実に動作させる必要があるので、スイッチング
制御回路をスイッチング電源の入力側に接続して入力電
圧をそれに給電するのが望ましい。以下、このようにス
イッチング電源の入力電圧により給電され保護機能を兼
ねたスイッチング制御回路の代表的な従来例を図２を参
照して簡単に説明する。

【０００４】まず、スイッチング電源の本体部分を説明
する。入力端子Ｔｉに受けた電池等の非安定な電源１か
らの入力電圧Ｖｉを変圧器２の一次コイル２ａに与え、
それに流す一次電流をスイッチングトランジスタ３によ
って断続させる。例えば図のようにフライバック形の変
圧器２の二次コイル２ｂの発生電圧はダイオード４で整
流され二次コイル２ｂのインダクタンスとキャパシタ５
により平滑化されて、出力端子Ｔｏから出力電圧Ｖｏと
して負荷６に与えられる。この出力電圧Ｖｏを安定化さ
せるため変圧器２の二次回路側に接続された電圧分割回
路７による出力電圧Ｖｏの実際値Ｖａが図で一点鎖線で
囲まれたスイッチング制御回路６０に与えられる。

【０００５】スイッチング制御回路６０の中心はＰＷＭ
回路１０であるが、制御誤差検出回路２０が上述の出力
電圧の実際値Ｖａを受けて目標値との差を検出して誤差
信号ＥＳとしてＰＷＭ回路１０に与え、ＰＷＭ回路１０
はこの誤差信号ＥＳの値をなくすために必要なデューテ
ィ比を指定するスイッチング指令ＳＳを駆動回路３０を
介してスイッチングトランジスタ３に与えることにより
出力電圧Ｖｏを安定化させる。

【０００６】スイッチング電源の負荷６側で例えば図の
短絡Ｓ等の異常が発生すると、出力電圧Ｖｏが大きく変
動してその実際値Ｖａを受ける制御誤差検出回路２０の
誤差信号ＥＳもそれに応じて変化するので、スイッチン
グ制御回路６０内に組み込まれた過負荷保護回路４０は
この誤差信号ＥＳを受けてその値が所定の許容値を越え
たとき負荷側に異常状態が発生したものと判定して、駆
動回路３０に過負荷信号ＯＳを発しスイッチング指令Ｓ
Ｓの出力を停止させることによりスイッチングトランジ
スタ３をオフさせてスイッチング電源の動作を停止させ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】スイッチング電源の保
護動作は上述のスイッチング制御回路６０により従来か
ら確実に行なわれて来たが、その変換効率を一層向上さ
せる等のためスイッチングトランジスタ３を従来のバイ
ポーラトランジスタから図２のように電界効果トランジ
スタに切り換えるに伴って、負荷６側に激しい短絡Ｓが
発生した時の保護が満足に行なわれない問題が出て来た
。 これは、従来のバイポーラトランジスタが電流動作形で
オン動作時にその飽和電流を越える電流を流さない一種
の電流制限機能をもつに対し、電界効果トランジスタは
電圧動作形なのでそれが接続されている回路条件によっ
ては非常に大きな電流が流れ得るためである。

【０００８】すなわち、前述の図２において負荷６側の
短絡Ｓが激しく、スイッチング電源の二次回路に大電流
が流れて出力電圧Ｖｏが大きく低下すると、スイッチン
グ制御回路６０はこれを回復させるためスイッチング指
令ＳＳによるデューティ比の指定値を上げてスイッチン
グトランジスタ３をオンさせる時間を増加させるので、
その低いオン抵抗によって変圧器２の一次コイル２ａに
大電流が流れる。一方、例えば電池１ａである電源１に
はその内部抵抗１ｂがあるので、この大電流により電源
電圧すなわちスイッチング電源の入力電圧Ｖｉが低下し
、その値がある最低限度以下に下がるとそれにより給電
されているスイッチング制御回路６０が正常に動作しな
くなり、過負荷保護回路４０によってスイッチング電源
を異常時に停止させる動作も止まってしまうことが起こ
り得るのである。

【０００９】このおそれをなくすにはスイッチングトラ
ンジスタ３のオン抵抗を若干上げるのが最も簡単かつ確
実であるが、もちろんそれでは電界効果トランジスタを
折角用いてスイッチング電源の変換効率の改善を図る元
々のねらいが大方失うわれてしまうことになり、また電
源１に内部抵抗１ｂのとくに小さいものを使用するのも
あまり実用的な問題の解決手段とはいえない。

【００１０】本発明の目的はかかる問題点を解消して、
スイッチング電源の入力側に大電流が流れ得る場合にも
スイッチング制御回路の保護動作に支障が発生しないよ
うにすることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によればこの目的
は、冒頭に記載のようにスイッチング電源が受ける入力
電圧により給電されるスイッチング制御回路に対して、
正常時にスイッチング電源の出力電圧を所望値に保つよ
うそのスイッチング動作のデューティ比を指定するスイ
ッチング指令を発するＰＷＭ回路と、スイッチング電源
の過負荷状態を検出して過負荷状態が所定時限内継続し
た時にそのスイッチング動作を停止させる過負荷保護回
路と、入力電圧値を所定の最低値と比較してそれを下回
った時に異常信号を発する入力電圧監視回路とを設け、
入力電圧監視回路による異常信号に基づき入力電圧を所
定の最低値に維持するようＰＷＭ回路のスイッチング指
令によるデューティ比の指定値を低下させることにより
達成される。

【００１２】上記構成中のＰＷＭ回路には複数個の被比
較入力をもつコンパレータを用い、入力電圧監視回路か
らの異常信号をその被比較入力の一つに優先入力信号と
して与えるのが有利であり、さらにはこの異常信号を入
力電圧の最低の許容値に対応するデューティ比をＰＷＭ
回路に指定する電圧値で与えるようにするのがとくに有
利である。また、入力電圧監視回路により入力電圧を比
較すべき最低の許容値は、入力電圧の正常値のふつうは
５０〜７５％，より望ましくは６０〜７０％に設定する
のが実際的である。

【００１３】

【作用】前述のように、スイッチング制御回路内には従
来から過負荷保護回路を設けて過負荷状態の発生を検出
させた上で必要な保護動作を行なわせて来たが、負荷に
は瞬時的な異常が発生することが多いのでそのつど保護
動作を開始するとむだな保護動作を徒に繰り返すことに
なる。このため、過負荷保護回路の動作には時限を設定
することがぜひ必要で、異常状態が所定の時限以上に継
続した時に始めて保護動作を開始させる。しかし、この
設定時限内に入力電圧の低下が起こって、肝心の過負荷
保護回路自体の動作が停まってしまうのが問題の原因で
ある。

【００１４】本発明ではこの点に着目して、過負荷保護
回路による過負荷状態の検出と独立に異常を検出するた
めに入力電圧監視回路を設けて、スイッチング電源が受
ける入力電圧を常時監視させ、入力電圧値を最低の許容
値と比較してそれを下回った時に異常信号を発生させ、
ＰＷＭ回路にこの異常信号に基づいてそれが発生するス
イッチング指令のデューティ比の指定値を直ちに低下さ
せることにより、入力電圧を最低の許容値以下に下がら
ないように維持し、その間に過負荷保護回路の時限動作
を行なわせるようにしたものである。

【００１５】換言すれば、本発明は過負荷保護回路とは
別個に異常状態を検出する入力電圧監視回路を設け、過
負荷保護回路を含めたスイッチング制御回路の動作に支
障が生じるおそれのある程度にまで入力電圧が低下した
とき直ちにＰＷＭ回路の動作を入力電圧を最低の許容値
に維持する動作に切り換え、スイッチング制御回路の正
常な動作を保証することにより課題を解決するものであ
る。

【００１６】

【実施例】以下、図１を参照して本発明の実施例を説明
する。なお、この図１に示されたスイッチング電源中の
前に説明した図２に対応する部分には同じ符号が付けら
れており、スイッチング制御回路６０とそれを構成する
各回路はそれぞれ一点鎖線で囲んで示されている。

【００１７】図１の上部のスイッチング電源の本体部は
図２と同じなので説明を省略して、下側のスイッチング
制御回路６０の構成と動作を説明する。もちろん、この
スイッチング制御回路６０は前述のように入力電圧Ｖｉ
によって給電される。その中央部に示されたＰＷＭ回路
１０の主体をなすのは図示の例では２個の被比較入力を
備えるコンパレータ１１であり、これら被比較入力の一
方に制御誤差検出回路２０から誤差信号ＥＳを，　他方
に入力電圧監視回路５０から異常信号ＬＳをそれぞれ受
けて、通例のようにそれらの内の低い方の信号値を優先
し、その比較入力に受けている付属の発振回路１２から
の例えば　１００ｋＨｚ程度の高周波の鋸歯状波信号と
比較する動作を行なうもので、優先された被比較入力が
受ける信号の値に応じたデューティ比をもつスイッチン
グ指令ＳＳを出力する。

【００１８】制御誤差検出回路２０は図のように差動増
幅器２１とその帰還抵抗２２とからなり、従来と同じく
スイッチング電源の二次側に接続された電圧分割回路７
で作られた出力電圧Ｖｏの実際値Ｖａを差動増幅器２１
の一方の入力に受けて、その他方の入力に受けている目
標値Ｅ２との差の増幅信号を誤差信号ＥＳとして出力し
てＰＷＭ回路１０等に与える。また、ＰＷＭ回路１０か
らスイッチング指令ＳＳを受ける駆動回路３０は基本的
にはそれを増幅して上でスイッチングトランジスタ３用
の電界効果トランジスタのゲートに与えるためのもので
、アンドゲート３１がイネーブルされているときに限っ
てトランジスタ３２がオンオフ動作してスイッチング指
令ＳＳを出力するようにしたものである。

【００１９】過負荷保護回路４０はこの実施例でも誤差
信号ＥＳから過負荷状態を検出するようになっており、
これをコンパレータ４１の一方の入力に受けその他方の
入力に与えられている基準値Ｅ４を越えたときに定電流
源４２を起動させてキャパシタ４３を充電する。このキ
ャパシタ４３の充電電圧はもう一つのコンパレータ４５
の一方の入力に与えられ、その値が他方の入力が受ける
しきい値Ｅｔに達したときに過負荷信号ＯＳがこれから
発せられる。容易にわかるように、キャパシタ４３の充
電時間が過負荷状態の検出時限であり、抵抗４４はその
放電用である。

【００２０】入力電圧監視回路５０が前述のように本発
明に固有のもので、入力電圧Ｖｉをそのコンパレータ５
１の一方の入力に受けてその他方の入力に与えられてい
る基準値Ｅ５と比較する。このコンパレータ５１の出力
である異常信号ＬＳは常時は入力電圧Ｖｉにより抵抗５
２を介して引き上げられているが、入力電圧Ｖｉが基準
値Ｅ５まで低下すると異常信号ＬＳの値が低下してＰＷ
Ｍ回路１０内のコンパレータ１１により誤差信号ＥＳよ
り優先する被比較入力として受け付けられる。なお、コ
ンパレータ５１の出力側に接続されている１対の抵抗５
３はこの際の異常信号ＬＳをＰＷＭ回路１０に対しそれ
に発生させるスイッチング指令ＳＳのデューティ比を指
定するに適合した値に設定するためのものである。

【００２１】このように構成された入力電圧監視回路５
０では、入力電圧Ｖｉの値がその正常値の５０〜７５％
，　望ましくは６０〜７０％に低下したときに異常信号
ＬＳが低下するようにそのコンパレータ５１の比較動作
が基準値Ｅ５により設定される。例えば、電源１が電池
でスイッチング電源がそれから受ける入力電圧Ｖｉの正
常値が６Ｖの場合は、基準値Ｅ５を４Ｖ程度に設定する
のがよい。

【００２２】以上のように構成された本発明によるスイ
ッチング制御回路６０では、負荷６に異常がない間は電
圧分割回路７による実際値Ｖａが目標値Ｅ２と等しくな
るよう制御誤差検出回路２０による誤差信号ＥＳに基づ
きＰＷＭ回路１０がスイッチング指令ＳＳを発し、それ
によりスイッチングトランジスタ３をオンオフ操作して
出力電圧Ｖｏを安定化させている。

【００２３】負荷６側に短絡Ｓのような異常が発生する
と出力電圧Ｖｏが低下して誤差信号ＥＳの値が異常に増
加するので、過負荷保護回路４０がこれを検出してその
キャパシタ４３を充電する時限動作を開始する。一方、
ＰＷＭ回路１０はこの誤差信号ＥＳの値の増加に応じ出
力電圧Ｖｏを回復させるべくスイッチング指令ＳＳによ
るデューティ比の指定値を高めるので、変圧器２の一次
コイル２ａに流れる電流が増加して、入力電圧Ｖｉが低
下して来る。

【００２４】短絡Ｓの程度が激しくてこの入力電圧Ｖｉ
が基準値Ｅ５まで低下すると、入力電圧監視回路６０が
動作して異常信号ＬＳを発するので、ＰＷＭ回路１０は
これを優先するようにその動作を切り換えてスイッチン
グ指令ＳＳによるデューティ比の指定値を低下させるこ
とにより変圧器２の一次電流を減少させて入力電圧Ｖｉ
のそれ以上の低下を防止する。さらにこの実施例では、
入力電圧検出回路５０内の１対の抵抗５３は入力電圧Ｖ
ｉが基準値Ｅ５になるデューティ比に適合した値を異常
信号ＬＳに与えるように設定されているので、入力電圧
ＶｉはＰＷＭ回路１０のスイッチング指令ＳＳにより基
準値Ｅ５を下回らないように制御される。このように本
発明では、異常発生時にもスイッチング制御回路６０は
従来のように動作不能に陥ることなく常にその動作を正
常に継続することができる。

【００２５】この状態で過負荷保護回路４０の時限動作
が終了すると過負荷信号ＯＳがそれまでのハイからロー
の状態に変わるので、駆動回路３０内のアンドゲート３
１がそれまでのイネーブル状態から閉の状態に変わり、
これにより駆動回路３０はスイッチング指令ＳＳの出力
を停止してスイッチング電源の動作を停止させる。なお
、時限動作の終了前に負荷６側の異常状態が解消すると
、過負荷保護回路４０はもちろん当初の状態に復帰し、
入力電圧Ｖｉの回復後は入力電圧監視回路５０からの異
常信号ＥＳも消失してスイッチング制御回路６０の動作
は正常な状態に戻る。また、この実施例ではスイッチン
グ電源が動作を停止した後でも負荷側の異常状態が解消
すると、スイッチング制御回路６０は元の正常な状態に
自動復帰する。

【００２６】以上説明したように、本発明のスイッチン
グ制御回路では入力電圧監視回路の異常信号によりＰＷ
Ｍ回路の動作を切り換えることにより、変圧器の一次電
流の増加，　従って入力電圧の低下を防止することによ
り常に正常な保護動作を行なうことができる。なお、本
発明は上掲の実施例に限らず種々の態様で実施できる。 例えば実施例では説明の簡単化のために過負荷保護回路
は一定時限に基づく保護動作をするものとしたが、負荷
の異常状態の程度に応じた可変時限の保護動作をこれに
行なわせることももちろん可能である。

【００２７】

【発明の効果】以上のとおり、本発明ではスイッチング
制御回路に対して、正常時にスイッチング電源の出力電
圧を所望値に保つようそのスイッチング動作のデューテ
ィ比を指定するスイッチング指令を発するＰＷＭ回路と
、過負荷状態を検出してそれが所定時限内継続した時に
そのスイッチング動作を停止させる過負荷保護回路と、
入力電圧値を所定の最低値と比較してそれを下回った時
に異常信号を発する入力電圧監視回路とを設け、入力電
圧監視回路による異常信号に基づいて入力電圧を所定の
最低値に維持するようＰＷＭ回路のスイッチング指令に
よるデューティ比の指定値を低下させることにより、異
常発生時の変圧器の一次電流の増加を防止してスイッチ
ング制御回路を動作させるため必要な入力電圧値を確保
するようにしたので、負荷に激しい短絡等の異常が発生
した際にもスイッチング制御回路の保護機能を正常に維
持してスイッチング電源を常に安全な状態で動作させる
ことができる。

【００２８】なお、実施例からわかるように本発明の実
施に必要な追加回路部分はごく僅かで、過負荷保護のた
めに負荷電流を検出する方式等に比べその回路構成がず
っと簡単でかつコストが掛からない特長を有し、小形の
集積回路装置チップ内に容易に組み込めるので電池を電
源とする可搬式の電子装置類に組み込むスイッチング電
源にとくに適し、その変換効率を高めながら過負荷保護
を完全にしてその動作信頼性を向上する効果を発揮する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるスイッチング電源用スイッチング
制御回路の実施例を示す回路図である。

【図２】従来のスイッチング制御回路の代表例を示すブ
ロック回路図である。

【符号の説明】

３　　　　スイッチングトランジスタ １０　　　　ＰＷＭ回路 ４０　　　　過負荷保護回路 ４３　　　　過負荷保護回路の時限動作用キャパシタ５
０　　　　入力電圧監視回路 ５１　　　　入力電圧監視回路の監視用コンパレータ６
０　　　　スイッチング制御回路 ＥＳ　　　　異常信号 ＯＳ　　　　過負荷信号 ＳＳ　　　　スイッチング指令

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スイッチング電源が受ける入力電圧により
   給電されるスイッチング制御回路であって、正常時には
   スイッチング電源の出力電圧を所望値に保つようそのス
   イッチング動作のデューティ比を指定するスイッチング
   指令を発するＰＷＭ回路と、スイッチング電源の過負荷
   状態を検出して過負荷状態が所定時限内継続した時にそ
   のスイッチング動作を停止させる過負荷保護回路と、入
   力電圧値を所定の最低値と比較してそれを下回った時に
   異常信号を発する入力電圧監視回路とを備えてなり、入
   力電圧監視回路による異常信号に基づき入力電圧を所定
   の最低値に維持するようにＰＷＭ回路のスイッチング指
   令によるデューティ比の指定値を低下させるようしたこ
   とを特徴とするスイッチング電源用スイッチング制御回
   路。
2. 【請求項２】請求項１に記載のスイッチング制御回路に
   おいて、ＰＷＭ回路が複数個の被比較入力をもつコンパ
   レータを備え、その被比較入力の一つに入力電圧監視回
   路からの異常信号を優先入力信号として与えるようにし
   たことを特徴とするスイッチング電源用スイッチング制
   御回路。
3. 【請求項３】請求項１に記載のスイッチング制御回路に
   おいて、入力電圧監視回路により入力電圧を比較すべき
   最低値が入力電圧の正常値の５０〜７５％に設定された
   ことを特徴とするスイッチング電源用スイッチング制御
   回路。